黄姜资源化综合利用工艺、机理及应用研究

论文摘要

黄姜中的有效成分皂素是生产合成甾体激素类等药物的主要中间体,目前工业上生产皂素采用的传统工艺不但提取率低,更重要的是会产生大量含酸高、胶质重、色素浓的酸性废水,对环境造成了极其严重的危害。针对以上生产上急需解决的现实问题,本课题重点旨在从源头上减少皂素生产过程中产生的高浓度废水及废渣,进行黄姜资源化综合利用,达到清洁生产以及提高经济效益的目的,为黄姜产业的发展提供新的思路和方法。研究重点之一是预分离淀粉再经水解、提取制备皂素新工艺的开发,通过试验得到了该过程优化的工艺路线和操作参数;在此基础上对预分淀粉和纤维素制备皂素的组合工艺进行了一定的研究;并以黄姜组织细胞理论为依据,对黄姜中皂素和淀粉、纤维素的结合规律和分离原理进行了分析和探讨。以小试研究为基础对预分离淀粉制备皂素的工艺进行了工业化应用放大研究,探讨了放大过程中的关键生产单元所遇到的难点问题。工业化放大结果与传统工艺相比:皂素收率增加8%,浓硫酸用量降低5%,浓盐酸用量降低18%,每吨新鲜黄姜可得90.06kg的淀粉;排放的废水量降低63.3%,化学耗氧量（CODCr）减少68.5%,色度减少59.6%;通过原材料消耗和产品效益分析,该工艺有较大的盈利空间。本研究成果达到了工业化生产的水平、既平衡治理三废的费用并可获得一定经济效益的目的。通过环境扫描电镜（SEM）、激光粒度分析仪、X-射线衍射扫描（XRD）、差示扫描量热分析（DSC）和红外光谱分析（IR）等手段分别对制备的黄姜淀粉和纤维素进行了性能表征和分析;测定了黄姜淀粉的中常见的营养元素、蛋白质、氨基酸、矿物质等,进行了营养价值评价,并对其进行了食品毒理学安全性评价。得到了以皂素废水废渣为原料制备有机肥以及四种农作物专用肥的工艺路线,产品各参数符合有机肥标准NY525-2002。该工艺不但减轻了治理环境污染的压力,而且具有一定的经济价值。为了最大限度减少酸水解量,完成了从黄姜中先采用溶剂提取薯蓣皂苷再水解制备皂素新工艺的研究。通过薯蓣皂苷提取环节六种不同方法进行对比和机理分析基础上,得到了最理想的提取工艺—磨浆-超声波法,并在单因素考察基础上,通过响应面分析的工程计算模型得到了的最佳工艺条件及拟合方程;并对得到产品进行了结构表征和确认。该工艺同传统提取工艺相比:皂素收率的提高率为25.1%;产品纯度高;盐酸用量降低90%以上,石油醚用量降低了60%以上。该工艺有更为明显的环境效益和社会效益,具有良好的工业化开发前景。为了减少废水的色度和资源化利用的目的,对黄姜中黄色素提取工艺进行了研究;重点对色泽鲜艳的油溶性色素进行了精制、鉴别和稳定性等系统研究;并对水溶性色素采用大孔吸附树脂进行精制,并得到了吸附过程的等温吸附曲线及模型、动力学模型和热力学参数,解释了该吸附过程。本研究对黄姜的资源化综合利用进行了系统和全面的研究,充分利用了黄姜植物资源,解决了目前黄姜产业高污染、高能耗、资源利用率少和生产效率低下的问题。具有较高的环境、经济和社会价值,以及广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 黄姜资源及分布概述
• 1.2 皂素的性质和药理研究进展
• 1.3 皂素产业国内外开发现状
• 1.4 皂素的测定方法研究进展
• 1.5 皂素提取工艺研究进展
• 1.6 皂素生产中的环境污染及治理现状
• 1.7 本课题的研究目的和意义
• 第二章 皂素的分析检测方法
• 2.1 分析仪器及试剂
• 2.2 样品的分析测定
• 2.2.1 薄层层析法
• 2.2.2 紫外分光光度法测定皂素的含量
• 2.2.3 重量法
• 2.2.4 皂素熔点的测定
• 2.3 小结
• 第三章 黄姜资源化制备皂素工艺研究
• 3.1 主要试验材料、装置及仪器
• 3.2 黄姜淀粉预分离制备皂素工艺研究
• 3.2.1 工艺路线
• 3.2.2 操作步骤
• 3.2.3 黄姜淀粉中皂素携带量研究
• 3.2.4 黄姜淀粉分离规律研究
• 3.2.5 水解环节中酸用量对皂素收率的影响
• 3.2.6 优化工艺验证及传统工艺对比试验
• 3.3 黄姜纤维素与皂素分离规律研究
• 3.3.1 工艺过程
• 3.3.2 操作步骤
• 3.3.3 鲜姜纤维素中皂素携带量规律研究
• 3.3.4 干姜纤维素中皂素携带量规律研究
• 3.4 黄姜淀粉和纤维素预分离制备皂素组合工艺研究
• 3.4.1 工艺路线
• 3.4.2 操作步骤
• 3.4.3 水解环节酸用量的考察
• 3.4.4 验证试验结果
• 3.5 黄姜中淀粉、纤维素和薯蓣皂苷的分布规律和分离原理探讨
• 3.5.1 黄姜根茎植物基本组织结构
• 3.5.2 淀粉的分布
• 3.5.3 纤维素的分布
• 3.5.4 薯蓣皂苷的分布
• 3.5.5 薯蓣皂苷分离原理探讨
• 3.6 小结
• 第四章 黄姜淀粉预分离生产皂素工业化放大研究
• 4.1 试验材料、设备和场地
• 4.2 工艺流程及操作
• 4.3 试验过程研究
• 4.4 试验结果
• 4.5 产品收率及与传统工艺的对比
• 4.6 废水处理指标及对比
• 4.7 原料消耗及经济效益分析及对比
• 4.8 小结
• 第五章 黄姜淀粉和纤维素的性能表征与应用研究
• 5.1 黄姜淀粉颗粒结构与热性能分析
• 5.1.1 主要材料与试剂
• 5.1.2 试验方法
• 5.1.3 黄姜淀粉的颗粒形态（SEM）
• 5.1.4 黄姜淀粉的粒径分析
• 5.1.5 黄姜淀粉颗粒的晶体结构分析（XRD）
• 5.1.6 黄姜淀粉的热性能分析（DSC）
• 5.2 黄姜淀粉的食用性和安全性分析
• 5.2.1 黄姜淀粉产品质量检验
• 5.2.2 黄姜淀粉中矿物质含量检测
• 5.2.3 黄姜淀粉中氨基酸含量检测
• 5.2.4 黄姜淀粉营养评价
• 5.2.5 黄姜淀粉安全性毒理学评价
• 5.3 黄姜纤维素的性能表征和分析
• 5.3.1 主要材料与试剂
• 5.3.2 试验方法
• 5.3.3 黄姜纤维素的微观形态分析（SEM）
• 5.3.4 黄姜纤维素的晶体结构分析（XRD）
• 5.3.5 黄姜纤维素的红外光谱分析（IR）
• 5.4 小结
• 第六章 皂素生产废弃物制备有机肥研究
• 6.1 主要原料和试剂
• 6.2 有机肥的检测分析方法
• 6.3 黄姜生产皂素废水、废渣检测结果
• 6.4 皂素生产废弃物制备有机肥研究
• 6.4.1 工艺路线及操作步骤
• 6.4.2 试验结果
• 6.5 皂素生产废水废渣制备农作物专用肥研究
• 6.5.1 不同农作物专用肥制备工艺
• 6.5.2 试验结果
• 6.6 小结
• 第七章 磨浆-超声法制备皂素新工艺研究
• 7.1 主要仪器与材料
• 7.2 不同提取方法的筛选和原理分析
• 7.2.1 试验方法
• 7.2.2 结果和讨论
• 7.3 磨浆-超声法制备皂素优化工艺研究
• 7.3.1 提取原理
• 7.3.2 试验方法
• 7.3.3 提取过程中影响因素的考察
• 7.3.4 响应面分析法确立最佳工艺参数及拟合模型
• 7.3.4.1 响应面分析法简介
• 7.3.4.2 响应面试验因素水平确定
• 7.3.4.3 响应值结果及其拟合模型
• 7.3.4.4 等高线图和响应面图分析
• 7.3.5 优化工艺和模型的验证以及与传统提取方法的比较
• 7.4 皂素产品的结构表征与确认
• 7.4.1 薄层层析法
• 7.4.2 红外光谱分析
• 7.4.3 飞行质谱分析
• 7.4.4 核磁共振分析
• 7.5 小结
• 第八章 黄姜色素提取分离工艺及动力学和热力学研究
• 8.1 主要试验材料及仪器
• 8.2 提取分离工艺过程
• 8.3 黄姜色素的提取工艺研究
• 8.3.1 分析检测方法
• 8.3.2 提取溶剂的选择
• 8.3.3 提取过程的影响因素考察
• 8.3.4 优化工艺条件研究
• 8.4 油溶性色素研究
• 8.4.1 油溶性色素的分离精制
• 8.4.2 油溶性色素的色价测定
• 8.4.3 油溶性色素的鉴别
• 8.4.4 油溶性色素稳定性研究
• 8.5 水溶性色素研究
• 8.5.1 检测方法的建立
• 8.5.2 大孔吸附树脂的筛选
• 8.5.3 吸附等温曲线及模型
• 8.5.4 吸附动力学方程及模型
• 8.5.5 吸附热力学参数
• 8.6 小结
• 第九章 结论和展望
• 9.1 结论
• 9.2 主要创新点
• 9.3 展望和改进
• 参考文献
• 发表论文和参加的科研项目
• 致谢